軍事傳感和通信系統的未來 - 共封裝光學器件實現融合射頻相控陣

  由于半導體和傳感器的進步，現代戰爭正在迅速演變。為單一項目提供大量預算，花幾十年時間生產幾百臺設備的傳統軍備模式正面臨巨大的壓力。隱形、無人機和精確制導導彈的大批量制造正在迅速改變國防力量的構建。目前，最先進的軍隊有幾十或幾百架戰斗機和轟炸機，但是卻有有數萬架無人機和導彈。以現有的能力，現代軍隊是否能夠對抗，甚至可靠地追蹤這些新式武器的高密度蜂群，還是個未知數。

  AyarLabs和洛克希德-馬丁公司發表了一篇關于利用硅基光電子技術進行通信的射頻(RF)融合相控陣天線(converged phased array antennas)的精彩論文。這個解決方案可以回答這個問題。今天，我們想解釋一下目前的傳感器和國防系統的通信架構，這些架構的成本和性能問題、數字波束成形、MIMO、射頻相控陣和硅基光電子技術的國防應用。

  首先，讓我們討論一下現代傳感器和通信架構。上圖是一架現代噴氣式戰斗機的示意圖，如F-22猛禽或F-35閃電。這些飛機使用復雜的傳感器陣列進行瞄準、跟蹤、通信等等。例如，F-35是使用紅外傳感器系統的先驅。該系統利用許多紅外光電天線陣列，使其對飛機周圍有360度的視野。這大大提高了戰斗機在搜索和跟蹤目標方面的能力。但這個系統最大的缺陷是其靈活性相當有限。整個子系統生活在自己的氣泡中(in its own bubble)，有自己的處理管道。

  每個孔徑都與相應的射頻器件緊密結合在一起，如果不對平臺進行物理上的重新布線，或者不對現有系統進行重新培訓以適應另一個系統的需要，就不能被用于其它的系統。--- 洛克希德-馬丁公司

  在國防應用中部署這些傳感器，需要大量的定制工作，從物理光電紅外傳感器的開發，到處理和算法。開發這一系統的成本高得驚人，涉及許多學科，必須長期合作才能開發出完整的系統。光電紅外系統與另一個射頻傳感或通信系統是完全分開的。

  在許多情況下，每個傳感器都為該特定的使用情況進行了優化。一支現代軍隊必須擁有旨在探測、跟蹤、連接，和與各種飛機、無人機、導彈、直升機、衛星、地基武器系統、艦艇、潛艇等進行通信的射頻系統。隨著更多的射頻子系統被創造出來，用于與戰場上的這些不同情景，無論是朋友還是敵人，其復雜性和成本都在急劇上升。

  這些先進的軍事應用開始需要幾十個不同的子系統，而且成本在不斷膨脹。此外，單一子系統的延遲意味著整個平臺會被延遲。F-35經常因為這些延誤和成本而受到抨擊。雖然各種延誤的確切原因不明了，但創建這樣一個復雜的系統所涉及的單體規劃和復雜性是罪魁禍首?，F在，F-35正在工作和部署，它被認為領先于世界上任何其他戰斗機，而射頻子系統是其中的一個重要部分。

  想象一下：如果這些許多不同的射頻子系統能夠以分解的方式被開發和部署，取而代之的是為每個特定任務建立傳感器、射頻處理和應用空間的單體子系統，解決方案的空間將被重新規劃。一些主要類別的傳感器可以針對射頻增益、噪聲和其他屬性進行優化，而不是針對具體的使用情況進行調整。射頻處理算法可以以更快的節奏進行更新，以便根據這些射頻元件傳入和傳出的數據，引入新的傳感和通信能力。應用算法也可以以單獨的節奏進行更新，以應對不斷變化的戰場。與昂貴的20年計劃相比，引進先進技術的時間表將大大縮短。

  上面是一個只有兩種類型傳感器的NGAD戰斗機的示意圖：一種高性能相控陣天線陣列(PAA)和一種光電紅外天線陣列(EOIR)。與F-22/F-35戰斗機的示意圖相比，傳感器的類型明顯減少。盡管傳感器的類型減少了，但將傳感器從處理過程中分離出來，對于追蹤更多更小和更隱蔽的目標的能力將得到加強。

  在處理之前，各種射頻傳感器將被融合。利用MIMO和數字波束成形等技術，可以獲得更高的數據率和更小的噪聲信號。

  數字波束成形和MIMO(多輸入、多輸出)是過去一直利用的技術，但更復雜的算法和技術在繼續提升射頻系統的性能。我們還沒有在公開報告中解釋過波束成形或MIMO，所以我們將提供一個快速入門：請注意我們是過度簡化了，因為關于這些主題已經有很多書了。

  MIMO是指一個發射和接收設備有多個輸入和多個輸出。對總數據吞吐量的好處是巨大的。作為參考，每個5G的小單元的范圍以內，有64個發射和64個接收對。鑒于消費市場已經證明了這種技術，下一代飛機的大量數據進出的路徑是顯而易見的。

  MIMO不太直觀的方面是關于射頻傳感應用。想象一下，如果發射方是一架無人機或隱形飛機，那個敵人并沒有積極嘗試向戰斗機發出信號，他們正試圖掩蓋其雷達和紅外信號;想象一下，從被雷達吸收材料覆蓋的低雷達信號的戰斗人員身上接收到發射或輻射的信號是多么困難。傳感應用需要知道敵人的位置、航向、速度和做出機動的速度。戰斗的反應將有所不同，這取決于傳感系統探測到的不明物體是鳥類、無人機、隱形戰斗機、隱形轟炸機，還是導彈。

  關于傳感的MIMO可以在更大的有效區域內接收到更廣泛的輸出信號。這也是數字波束成形技術的作用所在。就像MIMO一樣，它已經在商業應用中使用，但在軍事上的應用是獨特的。由于傳播延遲，所有的接收天線陣列將收到略有不同的相位和振幅的信號。

  當有多個方向的物體和信號時，數字波束成形使系統能夠匯聚在一個特定的信號上。各個接收天線將把它們的時間，引入納秒級的延遲，同步到這個首先收到特定方向和距離的信號的天線上。一旦所有天線的信號都與該特定距離和方向的天線的信號完美同步，來自各接收天線的輸出信號就可以加在一起。這些天線聚焦點的信號將被放大，而所有其他物體將是噪音，可以被過濾掉。

  波束成形可以是模擬或數字的。數字波束成形的優點是，每個處理元件接收原始數據并使用數字信號處理，通過對數據集的分析來引導波束。這種處理可以同時發生在許多不同的焦點上，使其能夠探測到更小的物體群，如成千上萬的無人機或導彈蜂群。

  向融合架構的轉變，要求飛機周圍的天線陣列能夠集中處理，而不是在每個天線陣列單獨處理。下面兩張圖，比較和對比了當前一代架構(第一張)和下一代架構(第二張)的差別。

  下一代架構對IO的要求是非常高的。所有來自傳感器的100多GB/s的數據在進入各種處理類型之前必須被送到一個中央交換機，這對網絡IO速度的要求是一個爆炸。

  這個想法的核心是，與獨立地建立孤立的系統相反，而是做一個寬泛的網絡，可以共同完成每一個任務，這只有在極高速和高效的網絡下才有可能。

  這就是AyaLabs的共封裝光學技術的作用。作為復習，請查看我們之前關于該公司的報告，其中詳細介紹了他們為數據中心提供的共封裝光學解決方案。光學IO的效率遠遠高于電氣IO。AyarLabs和洛克希德-馬丁公司正在研究將TeraPHY共封裝光學IO芯片與RFIC整合，以構建具有這些功能的先進封裝。傳感器、開關和處理元件理論上可以使用這種光學IO，以便大幅降低功耗和提高帶寬。

  利用共封裝的光學IO，除了更低的功率和更高的帶寬外，還有許多好處。首先，電磁干擾(EMI)大大降低?；阢~的電氣互連必須處理來自更高的輻射水平、地球磁場或戰斗人員的反干擾措施。這種干擾會導致正在傳輸的信號出現錯誤。在航空航天應用中部署的銅基布線，就需要大量的屏蔽來防止這些問題。

  此外，對于銅線上的高速信號，存在傳播和信號損失問題，因此布線的長度是有限的。這些與損失有關的問題是通過采用較低的線規、較粗的電線來補償的。這就給航空應用帶來了問題：因為飛機全身有數百或數千條電纜布線。如果每條布線都是帶EMI屏蔽的粗線，那么這些布線將占用大量的空間和重量分配。

  這兩個問題與共封裝的光學IO不那么相關。玻璃纖維光纜需要最小的屏蔽，因為它們不受大多數EMI的影響。玻璃纖維更薄、更輕、更靈活。這些特性使其能夠在更狹小的空間內進行布線。

  AyarLabs和洛克希德-馬丁公司將共封裝的光學IO與現有的最先進的中板(mid-board)光學收發器進行了比較。比較結果顯示，共封裝光學器件的功率更低，面積更小，錯誤率更低，性能更高。中板收發器目前在一些軍事應用中使用，盡管我們不確定在哪里。供應商都有一個 "國防" 應用的標簽。

  這項研究的另一個有趣的方面是，它會與AyarLabs目前對數據中心的推動產生協同效應。由于脆弱性和可靠性問題，數據中心一直不愿意采用共封裝的光學器件。AyarLabs將會在更高要求的應用中證明其技術。濕度、G重力、激光器壽命和溫度波動仍然是重大挑戰，但進展是有希望的。其中一些經驗可以應用于更大的數據中心通信市場。